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福建物构所在强酸性条件下选择性捕获铯离子研究中获进展

2022-02-16 福建物质结构研究所

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语音播报

　　铯（¹³⁷Cs）是乏燃料中的主要裂变产物之一，放射性强、释热量大且半衰期较长，对核废物的贮存和处置影响大，一旦泄露到环境中将严重威胁生态环境和人类健康。从复杂溶液中快速有效捕获放射性Cs⁺离子，对环境保护、人类健康和核能的可持续发展具有重要意义。高放废液常呈强酸性、环境体系非常复杂、含盐量高，为Cs⁺离子的选择性分离带来较多困难。离子交换法去除铯具有便捷、高效、成本低、二次污染少等优势而受到关注。然而，由于现有离子交换材料的稳定性问题和酸性环境中质子的强烈竞争，从酸性溶液中高选择性地捕获Cs⁺离子颇具挑战性。

　　星天地娱乐城官网福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室黄小荥课题组研究员冯美玲带领的放射性污染控制研究小组，在强酸性条件下高选择性捕获Cs⁺离子方面取得重要进展。研究制备出一例高稳定（耐强酸、耐辐照）的K⁺导向的层状金属硫化物KInSnS₄（InSnS-1），实现了对Cs⁺的快速高效捕获。其在中性溶液中具有快速捕获Cs⁺离子的动力学（t_e^Cs≤ 5 min，R^Cs≥90%）和高吸附量（q_m^Cs = 316 mg/g），吸附量高于大多数Cs⁺离子交换剂。

　　目前，在强酸条件下，能捕获Cs⁺的材料有限，集中于磷钼酸铵和杯芳烃冠醚及其复合材料，而InSnS-1在强酸条件下高选择性捕获Cs⁺取得了突破，在1 mol/L HNO₃溶液中可以有效地捕获Cs⁺离子（q_m^Cs = 98.6 mg/g），且在4 mol/L的HNO₃溶液中可以保持其层状结构，这是首次实现高稳定硫化物框架用于强酸性溶液中Cs⁺捕获。即使在高浓度的竞争性M_nⁿ⁺离子（M_nⁿ⁺ = Na⁺、Sr²⁺、Ca²⁺和La³⁺）存在下，InSnS-1对Cs⁺离子仍然表现出优异的选择性，且在强酸性溶液（1和3mol/L HNO₃）中具有高分离系数SF_Cs/M。该研究首次利用系统的选择性实验揭示了H₃O⁺离子对离子交换材料选择性捕获Cs⁺的影响。研究表明，酸度的增加导致其对Mⁿ⁺离子的去除率比Cs⁺的捕获率有更大的衰减，这是由于H₃O⁺离子对竞争离子有更强的排斥力以及软碱性S^2-和相对软酸性Cs⁺之间有更强的作用力。进一步，该材料还可以作为离子交换柱的固定相，从含有高浓度Cs⁺的中性和酸性溶液中有效去除Cs⁺，处理量分别达到1300（C₀^Cs = 190.13 mg/L，中性溶液）和650（C₀^Cs = 84.25 mg/L，1 mol/L HNO₃）床体积。这些优异特性表明InSnS-1在放射性铯修复领域具有潜在的应用前景。

　　研究通过单晶结构分析首次清晰、直观地显示了Cs⁺和H₃O⁺分别或同时进入化合物层之间，并在分子水平上阐明了酸性溶液中选择性捕获Cs⁺的机制。结构-性能分析初步揭示了K⁺导向金属硫化物离子交换性能的一般规律。这是一项系统性探究金属硫化物在强酸条件下选择性捕获Cs⁺的开创性工作。相关研究成果果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省自然科学基金、中科院海西研究院融合发展基金等的支持。

　　此前，冯美玲研究小组已在高选择性捕获和分离关键核素方面取得系列研究成果（Chem. Eng. J.2022, 429, 132474；Chem. Eng. J.2021, 420, 127613；ACS Appl. Mater. Interfaces2021, 13, 10191-10201；Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59,1878-1883；Chem. Mater.2020, 32, 1957-1963；ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 26222-26231；J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 11133-11140；J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 4314-4317；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 12578-12585）。

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高稳定层状金属硫化物KInSnS₄强酸性条件下高选择性捕获Cs⁺离子研究

　　铯（137Cs）是乏燃料中的主要裂变产物之一，放射性强、释热量大且半衰期较长，对核废物的贮存和处置影响大，一旦泄露到环境中将严重威胁生态环境和人类健康。从复杂溶液中快速有效捕获放射性Cs+离子，对环境保护、人类健康和核能的可持续发展具有重要意义。高放废液常呈强酸性、环境体系非常复杂、含盐量高，为Cs+离子的选择性分离带来较多困难。离子交换法去除铯具有便捷、高效、成本低、二次污染少等优势而受到关注。然而，由于现有离子交换材料的稳定性问题和酸性环境中质子的强烈竞争，从酸性溶液中高选择性地捕获Cs+离子颇具挑战性。
　　星天地娱乐城官网福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室黄小荥课题组研究员冯美玲带领的放射性污染控制研究小组，在强酸性条件下高选择性捕获Cs+离子方面取得重要进展。研究制备出一例高稳定（耐强酸、耐辐照）的K+导向的层状金属硫化物KInSnS4（InSnS-1），实现了对Cs+的快速高效捕获。其在中性溶液中具有快速捕获Cs+离子的动力学（teCs≤ 5 min，RCs≥90%）和高吸附量（qmCs = 316 mg/g），吸附量高于大多数Cs+离子交换剂。
　　目前，在强酸条件下，能捕获Cs+的材料有限，集中于磷钼酸铵和杯芳烃冠醚及其复合材料，而InSnS-1在强酸条件下高选择性捕获Cs+取得了突破，在1 mol/L HNO3溶液中可以有效地捕获Cs+离子（qmCs = 98.6 mg/g），且在4 mol/L的HNO3溶液中可以保持其层状结构，这是首次实现高稳定硫化物框架用于强酸性溶液中Cs+捕获。即使在高浓度的竞争性Mnn+离子（Mnn+ = Na+、Sr2+、Ca2+和La3+）存在下，InSnS-1对Cs+离子仍然表现出优异的选择性，且在强酸性溶液（1和3mol/L HNO3）中具有高分离系数SFCs/M。该研究首次利用系统的选择性实验揭示了H3O+离子对离子交换材料选择性捕获Cs+的影响。研究表明，酸度的增加导致其对Mn+离子的去除率比Cs+的捕获率有更大的衰减，这是由于H3O+离子对竞争离子有更强的排斥力以及软碱性S2-和相对软酸性Cs+之间有更强的作用力。进一步，该材料还可以作为离子交换柱的固定相，从含有高浓度Cs+的中性和酸性溶液中有效去除Cs+，处理量分别达到1300（C0Cs = 190.13 mg/L，中性溶液）和650（C0Cs = 84.25 mg/L，1 mol/L HNO3）床体积。这些优异特性表明InSnS-1在放射性铯修复领域具有潜在的应用前景。
　　研究通过单晶结构分析首次清晰、直观地显示了Cs+和H3O+分别或同时进入化合物层之间，并在分子水平上阐明了酸性溶液中选择性捕获Cs+的机制。结构-性能分析初步揭示了K+导向金属硫化物离子交换性能的一般规律。这是一项系统性探究金属硫化物在强酸条件下选择性捕获Cs+的开创性工作。相关研究成果果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金面上项目、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才、福建省自然科学基金、中科院海西研究院融合发展基金等的支持。
　　此前，冯美玲研究小组已在高选择性捕获和分离关键核素方面取得系列研究成果（Chem. Eng. J.2022, 429, 132474；Chem. Eng. J.2021, 420, 127613；ACS Appl. Mater. Interfaces2021, 13, 10191-10201；Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59,1878-1883；Chem. Mater.2020, 32, 1957-1963；ACS Appl. Mater. Interfaces2020, 12, 26222-26231；J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 11133-11140；J. Am. Chem. Soc.2017, 139, 4314-4317；J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 12578-12585）。
　　高稳定层状金属硫化物KInSnS4强酸性条件下高选择性捕获Cs+离子研究

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